lundi 17 octobre 2022

Les 19 galaxies démultipliées par l'amas SMACS 0723 imagées par Webb


On se souvient de la première image de champ profond du télescope Webb qui avait été dévoilée le 11 juillet dernier par le président américain en personne, et qui montrait de nombreuses galaxies très lointaines et de nombreuses lentilles gravitationnelles autour de l'amas SMACS J0723.3-7327. Aujourd'hui, une équipe publie une analyse complète de toutes ces galaxies subissant une déflection et/ou une démultiplication pour affiner le modèle de masse de l'amas lentille. Ils observent 14 nouvelles galaxies démultipliées qui s'ajoutent aux 5 qu'avait pu identifier Hubble dans le même champ. L'étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.

Massimo Pascale (Berkeley) et ses collaborateurs ont analysé en détail la fameuse image du télescope Webb qui restera dans l'histoire de l'astronomie du 21ème siècle. Cette image, ou ces images, car il y en a eu plusieurs, centrées sur l'amas de galaxies SMACS J0723.3-7327 révèlent une multitude de nouvelles images de galaxies à des longueurs d'onde infrarouges inexplorées, avec une profondeur et une résolution sans précédent. 
Les astrophysiciens ont identifié de manière robuste 14 nouveaux ensembles de galaxies à images multiples, totalisant 42 images, qui s'ajoutent aux cinq ensembles de galaxies brillantes et à images multiples déjà connues à partir des données du télescope spatial Hubble. Ils trouvent également des exemples d'arcs, permettant un suivi détaillé en spectroscopie pour des déterminations précises du décalage vers le rouge, ainsi que des mesures des abondances chimiques et de la dynamique interne détaillée des gaz de jeunes galaxies très éloignées. Un de ces arcs contient une paire de nœuds compacts qui sont amplifiés par un facteur de plusieurs centaines. Ils observent également un candidat de croix d'Einstein autour d'une galaxie (il s'agit de quatre images d'une galaxie très lointaine apparaissant symétriques de part et d'autre de la masse lentille parce qu'exactement sur la ligne de visée) et qui est uniquement visible grâce à la superbe résolution de JWST.

 
Parmi les 19 galaxies qui se trouvent démultipliées par l'effet de lentille de l'amas de galaxies, 2 d'entre elles sont juste dédoublées, 14 sont triplées, deux sont quadruplées, et une d'entre elles a cinq images. Le modèle de lentille de l'amas qui est reconstruit par Pascale et ses collaborateurs est contraint par 16 de ces ensembles de galaxies à images multiples, dont trois ont des décalages vers le rouge spectroscopiques mesurés. Cela permet des estimations précises de l'amplification des galaxies à décalage vers le rouge élevé. 
La masse de l'amas dérivée des observations de Planck était de 8,39 × 1014 M, mais la masse obtenue par le modèle de lentille gravitationnelle dérivée des observations de Hubble était de 4,15 ± 0,58 × 1013 M et la valeur qui matche le mieux pour reproduire les différentes galaxies démultipliées détectées par Webb que trouvent Pascale et son équipe vaut 5,91 ± 0,83 × 1013 M, presque 60 000 milliards de masses solaires... 
En fait, en pointant le JWST vers les lentilles gravitationnelles, on obtient un télescope combiné plus puissant, dont le diamètre effectif est  √|µ| fois plus grand que le diamètre réel, où ∣μ∣ est le grandissement absolu de l'objet de fond soumis à la lentille. Pour les galaxies, les grandissement typiques peuvent atteindre des facteurs de quelques dizaines, ce qui rend le JWST+l'effet lentille similaire à un télescope spatial ayant un diamètre de 20 à 30 m. 
Pour des objets d'arrière-plan beaucoup plus petits, comme des étoiles magnifiées près des caustiques ou en général pour des structures de dimensions subparsecs près des caustiques, le facteur de grandissement peut être de l'ordre de 1000. Cela se traduit par un diamètre effectif pour le JWST de 200 mètres ! Mais même sans les grandissements ultra élevés près des lignes critiques de la lentille forte, le phénomène de distorsion de l'espace-temps a permis à Pascale et ses collaborateurs de sonder les champs vierges plus profondément que jamais, c'est-à-dire, jusqu'aux luminosités correspondant à des galaxies de masses stellaires aussi petites que à 1 million de M


Une caractéristique de cette image de JWST obtenue avec l'instrument NIRCam qui a étonné Pascale et son équipe est la morphologie de la composante baryonique responsable de la lumière intra-amas (ICL). Elle présente une caractéristique en forme de boucle dans la composante nord-ouest et un grand lobe dans la composante sud-est. Les chercheurs, après analyse et traitement du bruit de fond, montrent que l'ICL est due à des étoiles arrachées à leurs galaxies mais toujours liées gravitationnellement à l'amas. Des travaux antérieurs avaient suggéré que l'ICL était un bon traceur de la distribution de la matière noire puisque les étoiles de l'ICL et les particules de la matière noire sont censées se comporter comme des particules sans collision et donc répondre uniquement à la gravité. Le modèle initial de lentille de l'amas présente une macrostructure similaire à celle de l'ICL. La lumière intra-amas s'étend également au-delà de l'ensemble actuel de contraintes de la lentille, mais selon les chercheurs, en combinant avec l'effet de lentille faible dérivé des images de Webb, il devrait être possible de produire un modèle de lentille qui couvre l'ensemble de l'ICL. La présence de ces caractéristiques à grande échelle dans l'ICL va certainement motiver des simulations détaillées pour examiner les scénarios de fusion galactique. Ces caractéristiques à grande échelle suggèrent en effet une perturbation dynamique passée significative. 
Ce travail représente un premier aperçu de la puissance accrue que JWST aura pour les études liées aux lentilles gravitationnelles. Les surprises ne vont pas manquer dans le futur.

Source

Unscrambling the Lensed Galaxies in JWST Images behind SMACS 0723
Massimo Pascale et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 938, Number 1 (13 october 2022)

Illustrations

1. Identification des 19 galaxies lentillées par l'influence gravitationnelle de l'amas SMACS J0723.3-7327 (Pascale et al.)
2. Distribution de la lumière intra-amas comparée avec la carte de masse de l'amas (Pascale et al.)
3. Localisation de la croix d'Einstein dans l'image de Webb

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